Esta conquista histórica foi conduzida pelo FlyWire Consortium , uma grande colaboração internacional que inclui pesquisadores da University of Cambridge, do MRC Laboratory of Molecular Biology em Cambridge, da Princeton University e da University of Vermont. Foi publicada hoje em dois artigos no periódico Nature .

O diagrama de todos os 139.255 neurônios no cérebro da mosca adulta é o primeiro de um cérebro inteiro para um animal que pode andar e enxergar. Esforços anteriores completaram os diagramas de cérebro inteiro para cérebros muito menores, por exemplo, uma larva de mosca-das-frutas que tem 3.016 neurônios, e um verme nematoide que tem 302 neurônios.

Os pesquisadores dizem que o mapa cerebral completo da mosca é um primeiro passo fundamental para completar cérebros maiores. Como a mosca da fruta é uma ferramenta comum em pesquisa, seu mapa cerebral pode ser usado para avançar nossa compreensão de como os circuitos neurais funcionam.

Dr. Gregory Jefferis, da Universidade de Cambridge e do Laboratório de Biologia Molecular do MRC, um dos colíderes da pesquisa, disse: "Se quisermos entender como o cérebro funciona, precisamos de uma compreensão mecanicista de como todos os neurônios se encaixam e deixam você pensar. Para a maioria dos cérebros, não temos ideia de como essas redes funcionam. 

“Moscas podem fazer todo tipo de coisas complicadas, como andar, voar, navegar, e os machos cantam para as fêmeas. Diagramas de fiação cerebral são um primeiro passo para entender tudo em que estamos interessados – como controlamos nossos movimentos, atendemos o telefone ou reconhecemos um amigo.”

A Dra. Mala Murthy da Universidade de Princeton, uma das colíderes da pesquisa, disse: “Tornamos todo o banco de dados aberto e disponível gratuitamente para todos os pesquisadores. Esperamos que isso seja transformador para neurocientistas que tentam entender melhor como um cérebro saudável funciona. No futuro, esperamos que seja possível comparar o que acontece quando as coisas dão errado em nossos cérebros, por exemplo, em condições de saúde mental.” 

A Dra. Marta Costa, da Universidade de Cambridge, que também estava envolvida na pesquisa, disse: “Este mapa cerebral, o maior até agora, só foi possível graças a avanços técnicos que não pareciam possíveis há dez anos. É um verdadeiro testamento da maneira como a inovação pode impulsionar a pesquisa. Os próximos passos serão gerar mapas ainda maiores, como o cérebro de um rato e, finalmente, um humano.”

Os cientistas descobriram que havia semelhanças substanciais entre a fiação neste mapa e esforços anteriores em menor escala para mapear partes do cérebro da mosca. Isso levou os pesquisadores a concluir que há muitas semelhanças na fiação entre cérebros individuais – que cada cérebro não é uma estrutura única.

Ao comparar seu diagrama cerebral com diagramas anteriores de pequenas áreas do cérebro, os pesquisadores também descobriram que cerca de 0,5% dos neurônios têm variações de desenvolvimento que podem fazer com que as conexões entre os neurônios sejam mal conectadas. Os pesquisadores dizem que será importante entender, por meio de pesquisas futuras, se essas mudanças estão ligadas à individualidade ou a distúrbios cerebrais. 

Um cérebro inteiro de mosca tem menos de um milímetro de largura. Os pesquisadores começaram com um cérebro feminino cortado em sete mil fatias, cada uma com apenas 40 nanômetros de espessura, que foram previamente escaneadas usando microscopia eletrônica de alta resolução no laboratório do colíder do projeto Davi Bock no Janelia Research Campus nos EUA.

Analisar mais de 100 terabytes de dados de imagem (equivalente ao armazenamento em 100 laptops típicos) para extrair as formas de cerca de 140.000 neurônios e 50 milhões de conexões entre eles é um desafio muito grande para humanos completarem manualmente. Os pesquisadores construíram em IA desenvolvida na Universidade de Princeton para identificar e mapear neurônios e suas conexões entre si.

No entanto, a IA ainda comete muitos erros em conjuntos de dados desse tamanho. Os pesquisadores da Universidade de Princeton estabeleceram o Consórcio FlyWire – composto por equipes em mais de 76 laboratórios e 287 pesquisadores ao redor do mundo, bem como voluntários do público em geral – que gastou cerca de 33 anos-pessoa revisando meticulosamente todos os dados.

O Dr. Sebastian Seung, da Universidade de Princeton, que foi um dos co-líderes da pesquisa, disse: “O mapeamento de todo o cérebro foi possível graças aos avanços na computação de IA - não teria sido possível reconstruir todo o diagrama de fiação manualmente. Esta é uma demonstração de como a IA pode levar a neurociência adiante. O cérebro da mosca é um marco em nosso caminho para reconstruir um diagrama de fiação de todo o cérebro de um rato.”

Os pesquisadores também anotaram muitos detalhes no diagrama de fiação, como a classificação de mais de 8.000 tipos de células no cérebro. Isso permite que os pesquisadores selecionem sistemas específicos dentro do cérebro para estudo posterior, como os neurônios envolvidos na visão ou no movimento. 

Dr. Philipp Schlegel, o primeiro autor de um dos estudos, do Laboratório de Biologia Molecular do MRC, disse: “Este conjunto de dados é um pouco como o Google Maps, mas para cérebros: o diagrama de fiação bruto entre neurônios é como saber quais estruturas em imagens de satélite da Terra correspondem a ruas e edifícios. Anotar neurônios é como adicionar os nomes de ruas e cidades, horários de funcionamento de empresas, números de telefone e avaliações ao mapa – você precisa de ambos para que seja realmente útil.”

Este também é o primeiro mapa de fiação cerebral completo – frequentemente chamado de conectoma – a prever a função de todas as conexões entre os neurônios. 

Os neurônios usam sinais elétricos para enviar mensagens. Cada neurônio pode ter centenas de ramificações que o conectam a outros neurônios. Os pontos onde essas ramificações se encontram e transmitem sinais entre os neurônios são chamados de sinapses. Existem duas maneiras principais pelas quais os neurônios se comunicam através das sinapses: excitatória (que promove a continuação do sinal elétrico no neurônio receptor) ou inibitória (que reduz a probabilidade de que o próximo neurônio transmita sinais).

Pesquisadores da equipe usaram tecnologia de escaneamento de imagens de IA para prever se cada sinapse era inibitória ou excitatória.

O Dr. Gregory Jefferis acrescentou: “Para começar a simular o cérebro digitalmente, precisamos conhecer não apenas a estrutura do cérebro, mas também como os neurônios funcionam para ligar e desligar uns aos outros.”

“Usando nossos dados, que foram compartilhados online enquanto trabalhávamos, outros cientistas já começaram a tentar simular como o cérebro da mosca responde ao mundo exterior. Este é um começo importante, mas precisaremos coletar muitos tipos diferentes de dados para produzir simulações confiáveis de como um cérebro funciona.”

O professor associado Davi Bock, um dos colíderes da pesquisa da University of Vermont, disse: "O hiperdetalhe dos dados de microscopia eletrônica cria seus próprios desafios, especialmente em escala. Esta equipe escreveu algoritmos de software sofisticados para identificar padrões de estrutura celular e conectividade dentro de todos esses detalhes. 

“Agora podemos fazer mapas precisos de nível sináptico e usá-los para entender melhor os tipos de células e a estrutura do circuito em escala de cérebro inteiro. Isso inevitavelmente levará a uma compreensão mais profunda de como os sistemas nervosos processam, armazenam e recordam informações. Acho que essa abordagem aponta o caminho a seguir para a análise de futuros conectomas de cérebro inteiro, na mosca, bem como em outras espécies."

Esta pesquisa foi conduzida usando um cérebro de mosca fêmea. Como há diferenças na estrutura neuronal entre os cérebros de moscas machos e fêmeas, os pesquisadores também planejam caracterizar um cérebro masculino no futuro. 

Os principais financiadores foram a Iniciativa BRAIN dos Institutos Nacionais de Saúde, Wellcome, Conselho de Pesquisa Médica, Universidade de Princeton e Fundação Nacional de Ciências.